CN114552868A - 一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 - Google Patents
一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114552868A CN114552868A CN202210110421.4A CN202210110421A CN114552868A CN 114552868 A CN114552868 A CN 114552868A CN 202210110421 A CN202210110421 A CN 202210110421A CN 114552868 A CN114552868 A CN 114552868A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- servo motor
- gear
- rotary positioning
- servo motors
- rotation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims abstract description 12
- 244000309464 bull Species 0.000 claims abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 238000013170 computed tomography imaging Methods 0.000 claims description 3
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000002428 photodynamic therapy Methods 0.000 description 7
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 5
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 3
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 3
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 3
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 241001646826 Isodon rubescens Species 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000012636 positron electron tomography Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000012879 PET imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002213 X-ray fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000011262 co‐therapy Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000011503 in vivo imaging Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011228 multimodal treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 238000004875 x-ray luminescence Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
- H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
- H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
- H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
- H02P21/18—Estimation of position or speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
- H02P21/20—Estimation of torque
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
- H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
- H02P25/022—Synchronous motors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P5/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors
- H02P5/46—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of two or more electric motors for speed regulation of two or more dynamo-electric motors in relation to one another
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
Abstract
本发明属于生物医学设备技术领域，公开了一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用，旋转定位装置由外齿回转环轴承和相应的驱动控制系统组成。外齿回转环轴承下端两侧分别啮接有驱动齿轮，驱动齿轮与减速箱的输出端连接；减速箱的输入端与两个伺服电机连接；外齿回转环轴承下端中间啮接有从动齿轮。外齿回转环轴承同轴固定连接在圆盘支架后侧。圆盘支架通过旋转定位装置与主支架连接。本发明采用两个相同参数的伺服电机输出轴分别连接驱动小齿轮，两个小齿轮分别连接于大齿轮不同位置，共同拖动大齿轮带动负载进行运动；两个伺服电机分别由各自独立的电流环驱动。本发明实现X线多功能成像治疗一体化平台的核心功能单元的高精度旋转。
Description
技术领域
本发明属于生物医学设备技术领域，尤其涉及一种医学成像/治疗设备的旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用。
背景技术
当前，临床大型医学成像/治疗设备及临床前小动物成像/治疗平台越来越趋于多模态、多功能联合，注重系统的一体化设计。例如在临床医疗设备方面，上海联影的一体化CT直线加速器将CT与直线加速器一体化跨界融合，实现同机模拟同机治疗，并实现专利技术的床下沉自动精准校正(ZL 201610006461.9、ZL 201611096387.0)；此外市场上已有多款PET/CT、PET/MRI等多模态成像设备。在小动物成像治疗平台方面，ZL 201410016594.5公开了一种CT、荧光和PET成像系统，实现了结构、光学和核素多模态成像；专利ZL201610118084.8和 201610118382.7分别提出了CT/X线激发光学断层成像(X-rayluminescence computed tomography，XLCT)双模态联合成像和放疗/X线光动力治疗(X-ray photodynamic therapy，X-PDT)多模式协同治疗技术；ZL 201610117958.8联合了X线荧光成像和X-PDT治疗技术等。
多种模态的成像或/和治疗系统在有效利用多种成像及治疗协同功能的同时，可减少多个独立系统占用的较大空间，降低物体成像/治疗中移动带来的过程复杂性和不同系统差异带来的定位误差，然而多模态、多功能系统的一体化设计提高了系统整体载重及结构的复杂性。在X线多功能成像治疗平台中，包含CT和XLCT 成像，放疗和X-PDT功能，各功能实现包含多种关键器件，重量大，同时成像和治疗均需要高精度旋转定位装置，难度系数大。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：X线多功能成像治疗一体化平台旋转定位结构负载重，旋转精度、旋转速度和安全性较难保证。
解决以上问题及缺陷的难度为：①X线多功能成像治疗一体化平台旋转定位结构需要配以一体化X射线源、X线平板探测器、低温制冷EMCCD相机、X光准直器等多个关键器件满足成像和治疗等不同功能，重量较大；②X射线源发出的X射线穿透性强，有强烈的辐射损伤，其工作时需要多重防护板，用于屏蔽多余射线，保护成像物体、操作人员和设备，同时旋转结构负载配重块保持平衡，增加了旋转结构的负载重量；③旋转定位结构在成像和治疗时携带以上关键器件和防护板、配重块等在垂直平面高负荷旋转，需满足X射线源的控制定位、X线平板探测器及EMCCD相机的控制及同步等高精度控制，现有技术中X线活体多模成像和治疗一体化平台缺少旋转定位装置。
解决以上问题及缺陷的意义为：所有成像及治疗模块安装在同一平台上，实现其旋转定位结构在高负载下的高精度旋转定位，可极大提高X线多功能成像治疗一体化平台的空间定位精度、旋转速度和整机安全性，为临床前研究提供可靠的实验平台，促进新型药物、疗法等的临床转化。同时，本方法的提出为相似医疗设备的研发提供重要借鉴意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种生物医学成像/治疗设备的旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用。
本发明是这样实现的，一种旋转定位装置，所述旋转定位装置设置有外齿回转环轴承；
外齿回转环轴承下端两侧分别啮接有一个驱动齿轮，驱动齿轮与减速箱的输出端连接；
减速箱的输入端与两个伺服电机连接；外齿回转环轴承下端中间啮接有从动齿轮。
进一步，圆盘支架通过旋转定位装置与主支架连接。
进一步，外齿回转环轴承同轴固定连接在圆盘支架后侧。
进一步，从动齿轮通过螺纹杆与绝对位置编码器连接。
进一步，所述外齿回转环轴承作为旋转定位装置的旋转单元，实现同轴旋转；
所述旋转定位装置采用外齿回转的旋转定位，利用外齿回转环轴承实现高精度旋转和定位功能，回转轴承上的齿轮起驱动与锁定作用。
进一步，所述旋转定位装置采用高精度闭环控制，利用绝对位置编码器对旋转角度、速率进行实时监测，控制任意角度的旋转与定位；
所述旋转定位装置锁紧采用双伺服电机对抗互锁，实现旋转角度0～360°范围内的无限制自由旋转和定位。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述旋转定位装置的双伺服电机驱动控制方法，所述双伺服电机驱动控制方法包括：两个相同参数的伺服电机输出轴分别连接驱动齿轮和从动齿轮，两个小齿轮分别连接于大齿轮不同位置，共同拖动大齿轮带动负载进行运动；两个伺服电机分别由各自独立的电流环进行驱动；
在旋转定位装置启动或换向时，两伺服电机产生一个大小相等方向相反的偏置力矩消除齿轮间隙；在旋转定位装置高速运行时，消除偏置力矩；
旋转定位装置为带转速控制的自由旋转角度定位结构和测控系统组成，旋转定位装置采用外齿分度回转环轴承作为旋转单元，锁紧采用双伺服电机对抗互锁，为动态的锁定；利用绝对位置编码器为角度检测与反馈单元，采用双伺服电机输出为两个相反作用的力矩驱动；圆盘支架顺时针旋转时，其中一个伺服电机输出的力矩大于另一个伺服电机输出的力矩；圆盘支架逆时针旋转时两伺服电机力矩输出则相反；需锁定时，两伺服电机的力矩输出相同，方向相反，相互作用下锁定；测控系统采用闭环控制，两伺服电机分别被独立驱动系统控制，位置编码器为角度检测单元，在线监测旋转角度、速率，实时对控制任意角度，转动速度与定位锁定的控制，实现角度旋转与定位的过程全自动化控制；
外齿回转的旋转定位利用外齿回转环轴承实现旋转和定位，外齿回转环轴承上的齿轮起驱动与锁定作用。
进一步，所述偏置力矩的产生是在电流环上再加入一个偏置电流环，用于产生偏置电流消除齿轮间隙，具体方法为：
当系统伺服电机控制信号为零时，两伺服电机分别产生大小相等方向相反的转矩输出力矩M0和输出力矩-M0使两个小齿轮分别贴合大齿轮的不同侧面，消除齿轮间隙，随着控制信号的不断增大，伺服电机1转矩从初始大小输出力矩M0 不断增大，伺服电机2转矩从输出力矩-M0处不断减小；当提供反向偏置力矩的伺服电机输出转矩降为零时，两伺服电机贴向大齿轮的同侧；若此时伺服电机控制信号继续增大，则两伺服电机共同拖动负载转动，按照偏置电流所设计的特性；在电子控制信号B点时，偏置力矩逐渐减小；到电子控制信号C点时，偏置力矩完全消除，两伺服电机共同拖动齿轮转动；
当反向时，自动恢复偏置力矩，伺服电机2力矩逐渐减小并反向贴向齿轮异面，伺服电机1还在原方向转动，两伺服电机回到初始位置；伺服电机反向转动，伺服电机2提前贴合齿轮异面。
本发明的另一目的在于提供一种成像或治疗平台，所述成像或治疗平台安装有所述的旋转定位装置，在旋转中结合数据采集和X线可控照射完成X线CT成像、XLCT成像，以及放疗和X-PDT治疗；
在X线CT和XLCT成像中，圆盘支架在旋转定位结构的带动下按照设定的步进角沿转动方向自动旋转360度，旋转过程中受到双伺服电机驱动系统控制；当采集完数据之后，圆盘支架会自动逆向旋转回到初始位置，同样受到双伺服电机驱动系统的控制和保护；在实施放疗或X-PDT治疗时，圆盘支架在旋转定位结构的带动下按照设定角度旋转至指定位置。
本发明的另一目的在于提供一种生物医学成像或治疗设备，所述生物医学成像或治疗设备安装有所述的旋转定位装置。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明可实现X线多功能成像治疗一体化平台的核心功能单元的高精度旋转，由于平台功能多，负载重，成像和治疗精度要求也很高，因此本发明为多功能平台的精度、安全、可靠提供了关键支撑。特别是考虑到活体成像方便，旋转结构的旋转面设定为垂直方向，使得以上性能难度系数更大。本发明为动物活体的多模态成像和多模态治疗提供了核心技术，可直接用于更高端临床前或临床医疗设备中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的旋转定位结构示意图；
图2是本发明实施例提供的外齿回转环轴承、驱动齿轮的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的生物医学成像/治疗设备的双伺服电机驱动控制方法的流程图。
图4是本发明实施例提供的双伺服电机驱动安装示意图；
图5是本发明实施例提供的偏置力消隙原理图。
图6是本发明实施例提供的0.5-10mm准直器调节孔位及无准直器的成像图。
图7是本发明实施例提供的CT投影和断层示意图。
图8是本发明实施例提供的XLCT投影和断层示意图。
图中：1、圆盘支架；2、主支架；3、外齿回转环轴承；4、驱动齿轮；5、从动齿轮；6、减速箱；7、伺服电机；8、绝对位置编码器；9、小齿轮；10、大齿轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种成像和治疗平台的旋转定位装置，也提供了一种双伺服电机驱动的控制系统及方法。下面结合附图对本发明作详细的描述。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
图1和图2为本发明提供的成像和治疗平台的旋转定位装置的一个具体实施例。如图1所示，旋转定位装置包含圆盘支架1、主支架2、外齿回转环轴承3、驱动齿轮4、从动齿轮5、减速箱6、伺服电机7、绝对位置编码器8组成。
本发明实施例中的圆盘支架1通过旋转定位装置与主支架2连接，旋转定位装置设置有外齿回转环轴承3，外齿回转环轴承3同轴固定连接在圆盘支架1 后侧，外齿回转环轴承3下端两侧分别啮接有一个驱动齿轮4，驱动齿轮4与精密的减速箱6的输出端连接，精密的减速箱6的输入端与伺服电机7连接。外齿回转环轴承3下端中间啮接有从动齿轮5，从动齿轮5通过螺纹杆与绝对位置编码器 8连接。
外齿回转环轴承作为旋转定位装置的旋转单元，带动其它单元同轴旋转。
旋转定位结构采用外齿回转的旋转定位技术，利用外齿回转环轴承来实现高精度旋转和定位功能，回转轴承上的齿轮起驱动与锁定作用。与其它定位(销定位、伺服电机刹车)方式比较，具有旋转角度任意、定位精度高、重复性好、实时调控、抗振动、抗冲击的特点，能够适用于角度精度高的应用环境。
旋转定位装置采用高精度闭环控制技术，利用绝对位置编码器对旋转角度、速率进行实时监测，精准控制任意角度的旋转与定位，实现角度定位的过程全自动化控制。
旋转定位装置锁紧技术采用双伺服电机对抗互锁的技术，此为动态锁紧和传动技术，可用于对旋转角度精准控制，能实现旋转角度0～360°范围内的无限制自由旋转和定位。
旋转定位装置采用双伺服电机驱动系统进行驱动控制。双伺服电机驱动系统由两个相同参数的伺服电机输出轴分别连接驱动齿轮和从动齿轮，两个小齿轮9 分别连接于大齿轮10不同位置，共同拖动大齿轮10带动负载进行运动。两个伺服电机分别由各自独立的电流环进行驱动。
主要型号和性能包含：
1)绝对型编码器6E-58SX/58HX，关键参数描述：58mm外形尺寸，标准工业外形设计；光电传感器技术，分辨率可达16Bits；防护等级可达IP67；机械多圈，最大圈数14Bits；最小数据循环周期62.5μs。
2)减速伺服电机VRB-090C-10-K3-19DC19，关键参数描述如表1。
表1减速伺服电机关键参数
| 减速比 | 10 |
| 背隙 | 3分 |
| 允许输出扭矩 | 50Nm |
| 允许最大扭矩 | 50Nm |
| 允许平均输入速度 | 3000rpm |
| 允许最大输入速度 | 6000rpm |
| 允许径向负荷(作用在轴中央的时候) | 1200N |
| 允许轴向负荷(作用在轴芯上的时候) | 1600N |
| 惯性力矩 | 0.7Kg*cm<sup>2</sup> |
3)松下伺服电机控制系统，松下品牌的伺服电机MHMF082L1U2M和松下伺服电机控制器MCDLN 35BE，主要性能参数：最大输出功率750W。
4)德国倍福控制系统，硬件：CX5130，体积小，集成度高，导轨式安装，节省空间。硬件：基于PC控制的核心：jack，1986年，第一台基于PC的设备控制器。硬件：一台化PC主板设计，增强了设备的稳定性；防震动保护，无需维护的散热设计，提供稳定性；长期(10年以上)的供货及备件，应用的延续性。TwinCAT 平台，提供适合任何应用的软件平台。EtherCAT接口，可以搭配市面上各种伺服驱动器及EtherCAT从站，实时性可以满足地址12.5微妙的实时性时间要求。基于 PC的平台，可以非常容易的集成到ERP系统和MES系统里。可选IOT，database 组件，立即可以把数据从云端或数据库中上传下载。一个CX5130可以集成PLC，运动控制，HMI数据处理等不同应用，以最小的空间完成尽量多的应用需求。
实施例2：
如图3所示，本发明实施例提供的生物医学成像/治疗设备的双伺服电机驱动控制方法包括以下步骤：
S101：在旋转定位装置启动或换向时，两伺服电机产生一个大小相等方向相反的偏置力矩消除齿轮间隙；
S102：在旋转定位装置高速运行时，偏置力矩能够消除，反向偏置力不影响系统正常工作，提高系统工作效率。
偏置力矩的产生是由于偏置电流的存在，即在原有的电流环基础上再加入一个偏置电流环，用于产生偏置电流消除齿轮间隙。
实施例3：
图4为本发明实施例采用的双伺服电机驱动安装示意图。由两个相同参数的伺服电机输出轴分别连接一个小齿轮9，两个小齿轮9共同拖动大齿轮10带动负载进行运动，两个伺服电机分别由各自独立的电流环进行驱动。驱动伺服电机选用两台永磁同步伺服电机。两台伺服电机输出轴连接的小齿轮9分别连接于大齿轮10不同位置，带动负载转动。在系统启动或换向时两伺服电机产生一个大小相等方向相反的偏置力矩消除齿轮间隙，在系统高速运行时，偏置力矩能够消除，反向偏置力不影响系统正常工作，提高系统工作效率。偏置力矩的产生是由于偏置电流的存在，即在原有的电流环基础上再加入一个偏置电流环，用于产生偏置电流消除齿轮间隙。偏置力矩消隙原理图如图5所示，当系统伺服电机控制信号为零时，两伺服电机分别产生大小相等方向相反的输出转矩M0和输出转矩-M0 使两个小齿轮9分别贴合大齿轮10的不同侧面，防止大齿轮10在间隙中转动，消除齿轮间隙，随着控制信号的不断增大，伺服电机1转矩从初始大小输出转矩 M0不断增大，伺服电机2转矩从输出转矩-M0处不断减小，对应图中伺服电机控制信号OA段，当提供反向偏置力矩的伺服电机输出转矩降为零时(此时对应图中伺服电机控制信号A点)，两伺服电机贴向大齿轮10的同侧，若此时伺服电机控制信号继续增大，则两伺服电机共同拖动负载转动，对应图中伺服电机控制信号AB段，按照偏置电流所设计的特性，在伺服电机控制信号B点时，偏置力矩逐渐减小，到伺服电机控制信号C点时，偏置力矩完全消除，两伺服电机共同拖动齿轮转动。当反向时，系统按照伺服电机控制信号CBAOA'B'C'顺序，自动恢复偏置力矩，伺服电机2力矩逐渐减小并反向贴向齿轮异面，伺服电机1还在原方向转动，此后两伺服电机回到初始位置对应图中伺服电机控制信号O点，伺服电机反向转动，因为伺服电机2提前贴合齿轮异面，使齿轮能够实现无间隙传动。
实施例4：
本发明的旋转定位装置为带转速控制的自由旋转角度定位结构和测控系统组成，旋转定位装置设计上采用外齿回转环轴承3作为旋转单元，锁紧技术设计上采用双伺服电机对抗互锁的技术，此为动态的锁定技术，利用高精度的绝对位置编码器8为角度检测与反馈单元，采用双伺服电机输出为两个相反作用的力矩驱动(两伺服电机7分别被独立驱动系统控制)，如圆盘支架1需顺时针旋转时，其中一个伺服电机7输出的力矩大于另一个伺服电机7输出的力矩，如圆盘支架1 需逆时针旋转时两伺服电机力矩输出则相反，如需锁定时，两伺服电机的力矩输出相同，方向相反，相互作用下锁定。此过程为动态实时过程，两伺服电机始终处于力矩对抗状态下，特别适用于对旋转角度精准的环境，可靠锁紧技术和传动技术，能实现旋转定位装置0～360°范围内的无限制自由旋转和定位，测控系统设计上采用了高精度的闭环控制技术，两伺服电机分别被独立驱动系统控制，应用高精度的绝对位置编码器8为角度检测单元，可在线监测旋转角度、速率，实时精准对控制任意角度，转动速度与定位锁定的控制，实现角度旋转与定位的过程全自动化控制；
外齿回转的旋转定位是指利用外齿回转环轴承3来实现高精度旋转和定位功能，外齿回转环轴承3上的齿轮起驱动与锁定作用。与其它定位(销定位、伺服电机刹车)方式比较，具有旋转角度任意、响应快、定位精度高、重复性好、实时调控、抗振动、抗冲击的特点，能够适用于角度精度高的应用环境。旋转定位结构示意图如图所示3，由圆盘支架1、主支架2、精密的外齿回转环轴承3、精密的驱动齿轮4、精密的从动齿轮5、精密的减速箱6、高精度的伺服电机7、高精度的绝对位置编码器8等组成。
下面结合具体实验对本发明的技术效果作详细的描述。
1、旋转精度测试验证
本发明实施例中旋转精度偏差指标为“旋转精度偏差≤0.01°”，通过选用高精密自准直仪和24面凌体进行旋转精度偏差验证。将24面凌体安装至X线多功能成像治疗一体化平台的中心位置上，并对24面凌体中心进行校准使之与旋转转盘同心。固定好高精度光电自准直仪，将旋转转盘设置为0.00°位置上并进行标定。从 0.00°开始设置X射线激发多功能成像与治疗平台目标角度按10°进行增加，稳定后记录高精度光电自准直仪的角度位移数据。测试结果表明在旋转方位0°～360°时精度误差满足本发明中旋转精度偏差≤0.01°的要求，同时在旋转方向355°～5°时精度误差满足本发明中旋转精度偏差≤0.01°的要求。
2、仿体成像结果，如图6-图7所示。
本发明实施例中利用旋转定位装置和双伺服电机驱动系统可实现CT和XLCT 多模态成像。对仿体的CT和XLCT成像分别如图6和图7所示。
本发明提供的旋转定位装置和生物医学成像/治疗设备的双伺服电机驱动控制系统及方法，结合系统控制器，可进行旋转定位结构的高精度旋转和安全自动化控制，达到X线多功能成像治疗一体化平台的运动扫描曝光一体控制，实现多模在体成像和治疗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种旋转定位装置，其特征在于，所述旋转定位装置设置有外齿回转环轴承；
外齿回转环轴承下端两侧分别啮接有一个驱动齿轮，驱动齿轮与减速箱的输出端连接；
减速箱的输入端与两个伺服电机连接；外齿回转环轴承下端中间啮接有从动齿轮。
2.如权利要求1所述的旋转定位装置，其特征在于，圆盘支架通过旋转定位装置与主支架连接。
3.如权利要求1所述的旋转定位装置，其特征在于，外齿回转环轴承同轴固定连接在圆盘支架后侧。
4.如权利要求1所述的旋转定位装置，其特征在于，从动齿轮通过螺纹杆与绝对位置编码器连接。
5.如权利要求1所述的旋转定位装置，其特征在于，所述外齿回转环轴承作为旋转定位装置的旋转单元，实现同轴旋转；
所述旋转定位装置采用外齿回转的旋转定位，利用外齿回转环轴承实现高精度旋转和定位功能，回转轴承上的齿轮起驱动与锁定作用。
6.如权利要求1所述的旋转定位装置，其特征在于，所述旋转定位装置采用高精度闭环控制，利用绝对位置编码器对旋转角度、速率进行实时监测，控制任意角度的旋转与定位；
所述旋转定位装置锁紧采用双伺服电机对抗互锁，实现旋转角度0～360°范围内的无限制自由旋转和定位。
7.一种运行权利要求1～6任意一项所述旋转定位装置的双伺服电机驱动控制方法，其特征在于，所述双伺服电机驱动控制方法包括：两个相同参数的伺服电机输出轴分别连接驱动齿轮，两个小齿轮分别连接于大齿轮不同位置，共同拖动大齿轮带动负载进行运动；两个伺服电机分别由各自独立的电流环进行驱动；
在旋转定位装置启动或换向时，两伺服电机产生一个大小相等方向相反的偏置力矩消除齿轮间隙；在旋转定位装置高速运行时，消除偏置力矩；
旋转定位装置为带转速控制的自由旋转角度定位结构和测控系统组成，旋转定位装置采用外齿分度回转环轴承作为旋转单元，锁紧采用双伺服电机对抗互锁，为动态的锁定；利用绝对位置编码器为角度检测与反馈单元，采用双伺服电机输出为两个相反作用的力矩驱动；圆盘支架顺时针旋转时，其中一个伺服电机输出的力矩大于另一个伺服电机输出的力矩；圆盘支架逆时针旋转时两伺服电机力矩输出则相反；需锁定时，两伺服电机的力矩输出相同，方向相反，相互作用下锁定；测控系统采用闭环控制，两伺服电机分别被独立驱动系统控制，位置编码器为角度检测单元，在线监测旋转角度、速率，实时对控制任意角度，转动速度与定位锁定的控制，实现角度旋转与定位的过程全自动化控制；
外齿回转的旋转定位利用外齿回转环轴承实现旋转和定位，外齿回转环轴承上的齿轮起驱动与锁定作用。
8.如权利要求7所述的双伺服电机驱动控制方法，其特征在于，所述偏置力矩的产生是在电流环上再加入一个偏置电流环，用于产生偏置电流消除齿轮间隙，具体方法为：
当系统伺服电机控制信号为零时，两伺服电机分别产生大小相等方向相反的转矩输出力矩M0和输出力矩-M0使两个小齿轮分别贴合大齿轮的不同侧面，消除齿轮间隙，随着控制信号的不断增大，伺服电机1转矩从初始大小输出力矩M0不断增大，伺服电机2转矩从输出力矩-M0处不断减小；当提供反向偏置力矩的伺服电机输出转矩降为零时，两伺服电机贴向大齿轮的同侧；若此时伺服电机控制信号继续增大，则两伺服电机共同拖动负载转动，按照偏置电流所设计的特性；在电子控制信号B点时，偏置力矩逐渐减小；到电子控制信号C点时，偏置力矩完全消除，两伺服电机共同拖动齿轮转动；
当反向时，自动恢复偏置力矩，伺服电机2力矩逐渐减小并反向贴向齿轮异面，伺服电机1还在原方向转动，两伺服电机回到初始位置；伺服电机反向转动，伺服电机2提前贴合齿轮异面。
9.一种成像或治疗平台，其特征在于，所述成像或治疗平台安装有权利要求5所述的旋转定位装置，在旋转中结合数据采集和X线可控照射，完成X线CT成像、XLCT成像，以及放疗和X-PDT治疗；
在X线CT和XLCT成像中，圆盘支架在旋转定位结构的带动下按照设定的步进角沿转动方向自动旋转360度，旋转过程中受到双伺服电机驱动系统控制；当采集完数据之后，圆盘支架会自动逆向旋转回到初始位置，同样受到双伺服电机驱动系统的控制和保护；在实施放疗或X-PDT治疗时，圆盘支架在旋转定位结构的带动下按照设定角度旋转至指定位置。
10.一种生物前医学成像或治疗设备，其特征在于，所述生物医学成像或治疗设备安装有权利要求5所述的旋转定位装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210110421.4A CN114552868A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210110421.4A CN114552868A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114552868A true CN114552868A (zh) | 2022-05-27 |
Family
ID=81673077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210110421.4A Pending CN114552868A (zh) | 2022-01-29 | 2022-01-29 | 一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114552868A (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101364105A (zh) * | 2008-09-26 | 2009-02-11 | 浙江大学 | 基于实时控制网络的双电机驱动提高运动精度的控制方法 |
| CN101697465A (zh) * | 2009-09-29 | 2010-04-21 | 扬州曙光光电自控有限责任公司 | 一种交流伺服系统双机电消隙控制装置 |
| US20110237386A1 (en) * | 2010-03-29 | 2011-09-29 | Pierre Hirtt | System and Method of Positional Control with Backlash Compensation |
| CN102820839A (zh) * | 2011-06-10 | 2012-12-12 | 北京理工大学 | 一种齿隙传动中电机伺服系统精确定位的方法 |
| CN103701368A (zh) * | 2014-01-14 | 2014-04-02 | 北京理工大学 | 双电机节能消隙控制方法 |
| CN204776082U (zh) * | 2015-07-02 | 2015-11-18 | 天津航天机电设备研究所 | 一种用于航天器的大型通用回转支承装置 |
| CN106051058A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-10-26 | 上海格昆机电科技有限公司 | 用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架及其传动机构 |
| CN108092561A (zh) * | 2016-11-23 | 2018-05-29 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种全数字式的双伺服电机消隙系统及其控制方法 |
| JP2019162007A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 株式会社リコー | 駆動装置、駆動システム、ロボット、画像形成装置、および搬送装置 |
| JP2020148323A (ja) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 株式会社リコー | 駆動伝達装置、駆動装置、及び、ロボット |
| CN111953240A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-11-17 | 南京工程学院 | 一种基于最优控制的双电机消隙方法及系统 |
| CN113679959A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-11-23 | 中科超精(南京)科技有限公司 | 一种高精度定位的医用电子直线加速器机架结构 |
-
2022
- 2022-01-29 CN CN202210110421.4A patent/CN114552868A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101364105A (zh) * | 2008-09-26 | 2009-02-11 | 浙江大学 | 基于实时控制网络的双电机驱动提高运动精度的控制方法 |
| CN101697465A (zh) * | 2009-09-29 | 2010-04-21 | 扬州曙光光电自控有限责任公司 | 一种交流伺服系统双机电消隙控制装置 |
| US20110237386A1 (en) * | 2010-03-29 | 2011-09-29 | Pierre Hirtt | System and Method of Positional Control with Backlash Compensation |
| CN102820839A (zh) * | 2011-06-10 | 2012-12-12 | 北京理工大学 | 一种齿隙传动中电机伺服系统精确定位的方法 |
| CN103701368A (zh) * | 2014-01-14 | 2014-04-02 | 北京理工大学 | 双电机节能消隙控制方法 |
| CN204776082U (zh) * | 2015-07-02 | 2015-11-18 | 天津航天机电设备研究所 | 一种用于航天器的大型通用回转支承装置 |
| CN106051058A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-10-26 | 上海格昆机电科技有限公司 | 用于航天贮箱和粒子治疗仪的旋转机架及其传动机构 |
| CN108092561A (zh) * | 2016-11-23 | 2018-05-29 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 | 一种全数字式的双伺服电机消隙系统及其控制方法 |
| JP2019162007A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 株式会社リコー | 駆動装置、駆動システム、ロボット、画像形成装置、および搬送装置 |
| US20190288620A1 (en) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | Ricoh Company, Ltd. | Driving apparatus, driving system, robot, image forming apparatus, and conveying apparatus |
| JP2020148323A (ja) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 株式会社リコー | 駆動伝達装置、駆動装置、及び、ロボット |
| CN111953240A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-11-17 | 南京工程学院 | 一种基于最优控制的双电机消隙方法及系统 |
| CN113679959A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-11-23 | 中科超精(南京)科技有限公司 | 一种高精度定位的医用电子直线加速器机架结构 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 孙龙飞;房立金;: "基于变偏置力矩的双电机系统消隙控制方法研究", 电机与控制学报, no. 03, 15 March 2017 (2017-03-15), pages 89 - 96 * |
| 江勇;张伟;刘晓源;金博丕;: "双电机消隙技术在串联机械臂中的仿真与应用", 中国机械工程, no. 16, 25 August 2020 (2020-08-25), pages 1991 - 1997 * |
| 王轩;张翔;刘艳行;: "双电机消隙技术在武器伺服系统中的应用", 火控雷达技术, vol. 49, no. 1, 25 March 2020 (2020-03-25), pages 78 - 82 * |
| 程登元;: "一种双电机消隙伺服系统", 雷达科学与技术, no. 05, 15 October 2009 (2009-10-15), pages 392 - 395 * |
| 胡祐德 曾乐生等: "伺服系统原理与设计", vol. 7, 30 June 1993, pages: 294 - 299 * |
| 薛汉杰;: "双电机驱动消隙技术及其在数控设备中的应用", 航空制造技术, no. 17, 1 September 2009 (2009-09-01), pages 84 - 88 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102253405B (zh) | 多轴中子单色器姿态调整装置 | |
| CN112683112B (zh) | 一种光学平台与雷达的共架转台系统 | |
| CN104515684A (zh) | 直流力矩电机驱动滚珠丝杠副加载的原位校准装置 | |
| CN112653367B (zh) | 一种共架转台的控制系统及方法 | |
| CN113679959A (zh) | 一种高精度定位的医用电子直线加速器机架结构 | |
| CN113670585A (zh) | 靶标自动切换装置 | |
| CN114552868A (zh) | 一种旋转定位装置、双伺服电机驱动控制方法及应用 | |
| CN204536114U (zh) | 用于监测材料微观力学行为的原位观测系统 | |
| CN211697213U (zh) | 材料力学性能多参量原位监测平台 | |
| EP0511353B1 (en) | Dual rotatable head gamma camera | |
| CN219678753U (zh) | 适用于x射线源的精密型摆动调节装置 | |
| CN207730448U (zh) | 滚齿机工作台测试平台 | |
| CN201795997U (zh) | 安全检查用螺旋ct同步控制系统 | |
| CN108132030B (zh) | 一种超导质子医疗设备旋转机架等中心点精密测量装置 | |
| CN217390866U (zh) | 驱动装置及医疗机器人 | |
| CN109125954A (zh) | 摆臂型放射治疗用机器人治疗床 | |
| CN113520434B (zh) | 一种适用于小动物的能谱快速成像锥束ct系统及设计方法 | |
| CN216022715U (zh) | 新型医用电子直线加速器治疗头 | |
| CN114198614A (zh) | 适用于红外与可见光相机光轴平行度自动校准光电转台 | |
| CN107441636B (zh) | 一种新型放射治疗用准直器及放射治疗装置 | |
| CN216180371U (zh) | 一种可升降的单轴转台 | |
| CN207983339U (zh) | 射线摄影用机械臂 | |
| CN118079255A (zh) | 放射治疗设备、旋转装置、旋转装置的控制装置及方法 | |
| CN109908496B (zh) | 一种六自由度放射治疗床的控制方法 | |
| CN219208772U (zh) | 一种医用直线加速器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |